Mechanisme en toepassing van herboren verankering met omgekeerd wigvormige boorholtebodem in argillaceous gecementeerde schacht

Het op hun plaats houden van broze mijntunnels

Diep onder de grond lopen veel kolenmijntunnels door zacht, klei‑rijk gesteente dat in de loop van de tijd opzwelt, kruipt en verbrokkelt. Traditionele stalen ondersteuningen en zelfs moderne ankerbouten verliezen vaak hun houvast naarmate dit zwakke gesteente vervormt, wat het risico op dak-instortingen en dure reparaties verhoogt. Deze studie onderzoekt een nieuwe manier om ondersteuningsbouten veiliger te verankeren door het uiteinde van het boorgat anders te vormen, zodat het gesteente en de hars als het ware als een wig in elkaar grijpen, waardoor tunnels veiliger en stabieler blijven voor langere tijd.

Waarom zachte gesteentetunnels zo moeilijk te behouden zijn

Veel Chinese kolenwegprofielen zijn uitgedreven in argillaceous, ofwel klei‑gecementeerd, gesteente dat mineralen bevat die verzwakken bij vocht. Deze gesteenten zijn slecht gebonden, hebben een lage sterkte en neigen te zwellen en modderig te worden bij contact met water. Onder de constante druk van mijnbouwdecompressie kruipen en vervormen de tunnelwanden en het dak. Stalen frames die aanvankelijk effectief lijken, kunnen uiteindelijk in de zachte vloer duwen als die opbolt, terwijl het dak doorbuigt en barst. Ankerbouten, die nu de belangrijkste ondersteuningsmethode vormen, moeten de zwakke gesteentelagen aan elkaar verbinden. Maar in deze omgeving laat de hars die gebruikt wordt om de bout aan de gatwand te lijmen vaak los van het gesteente, vooral bij trillingen en vocht, waardoor de verankerende kracht snel afneemt.

Het uiteinde van het gat vormen als een wig

De onderzoekers concentreerden zich op een eenvoudig maar krachtig idee: in plaats van de onderkant van het boutgat cilindrisch te laten, vergroten ze die met een speciaal uitboor‑gereedschap tot een omgekeerd wigvormige holte. De bout wordt vervolgens met hars in deze verbrede holte gebonden. In feite vertrouwt de bout niet langer alleen op lijm langs een gladde wand; hij wordt mechanisch vergrendeld in een bredere pocket in het gesteente. Het team bouwde een mechanisch model dat de bout langs zijn lengte in drie zones verdeelt: een vrije sectie dicht bij de tunnelopening, een normale verankeringssectie en de uitgeboorde verankeringssectie aan het uiteinde. Met hulp van grondmechanica‑vergelijkingen lieten ze zien dat deze wigvormige pocket de schuif- en klemkrachten aan het oppervlak tussen hars en gesteente aanzienlijk vergroot, en zo de axiale weerstand van de bout verhoogt, zelfs wanneer elders enige glijding begint.

Van vergelijkingen naar laboratoriummodellen en trekproeven

Om het concept te testen, maakte het team geschaalde tunnelwandmodellen met materialen gemengd om zwak, laagsterkt zacht gesteente na te bootsen. Ze boorden boutgaten in PVC‑buizen en beitelden handmatig de gatbodem uit tot omgekeerde wiggen met verschillende lengtes, diameters en hoeken. Met een gangbare mijnhars (K2335) controleerden ze eerst hoe goed de hars in deze verbrede holtes gemengd en uitgehard werd. Als de wig te groot of te lang was, bleven delen van de hars slecht gemengd en niet uitgehard. Ze definieerden een “verstevigingsratio” om te kwantificeren welk deel van de hars volledig uithardde. De beste combinatie bleek een uitboorlengte van 100 mm, een maximale diameter van 58 mm en een wighoek van 9°, wat een uithardingsgraad van 92,9% gaf, wat betekent dat de holte dicht en gelijkmatig werd opgevuld.

Sterkere grip voor en na falen

Vervolgens voerden de onderzoekers trekproeven uit in het laboratorium, waarbij ze normale bouten vergeleken met bouten verankerd in deze wigvormige holtes, allemaal met dezelfde totale verankeringslengte. In beide gevallen nam de trektkracht toe met verplaatsing tot een piek en daalde daarna toen glijden tussen hars en gesteente begon. Bij normale bouten was de daling scherp en bleef de resterende kracht laag, voornamelijk afkomstig van zwakke glijfwrijving. Daarentegen droegen bouten in de omgekeerde wigholte na het begin van glijden nog steeds een hoge residuele kracht omdat de verbrede vorm mechanisch volledige uittrekking blokkeert. Numerieke simulaties bevestigden dit: bij dezelfde belasting van 160 kN nam de gemiddelde schuifspanning langs de verankeringszone met ongeveer 47% toe met het wigontwerp, en concentreerde de spanning zich gunstig nabij de uitgeboorde sectie in plaats van alleen aan de gatbodem.

Het idee bewijzen in een echte kolenmijn

Het team paste de methode vervolgens ondergronds toe in een zacht‑gesteente wegprofiel in een kolenmijn in de provincie Shanxi. Ze boorden en boorden de gatbodems uit met een zelfontworpen enkellippig gereedschap, duwden de harspatronen in de uitgeboorde pocket en mengden ze met de bout totdat de hars zowel gebroken als intact gesteente vulde en greep. Monitoring van drie dakbouten toonde aan dat hun axiale krachten stegen naarmate het omringende gesteente vervormde, maar vervolgens op hoge niveaus stabiliseerden, zonder het snelle verlies van ondersteuning dat vaak bij conventionele verankering wordt gezien. Metingen van dakzetting bevestigden dat tunnels ondersteund met de omgekeerd wiguitgeboorde bouten veel minder verzakking vertoonden dan die met standaardbouten, wat duidt op een veiliger en stabieler wegprofiel.

Wat dit betekent voor mijnveiligheid

Voor de niet‑specialist komt het erop neer dat het anders vormen van het verborgen uiteinde van een boutgat een groot verschil kan maken voor de tunnelveiligheid. Door een kleine wigvormige holte in het gesteente te maken en die met hars en staal te vullen, creëren ingenieurs een soort ondergronds ankerkopje dat moeilijker uit te trekken is en minder snel in kracht afneemt. De studie toont aan dat met zorgvuldig gekozen afmetingen dit ontwerp niet alleen de initiële houdsterkte vergroot, maar ook veel van die sterkte behoudt nadat enig glijden is opgetreden. Voor kolenmijnen die door broos, vochtgevoelig gesteente graven, kan een dergelijke verbeterde verankering dak-instortingen verminderen, onderhoudskosten verlagen en werken ondergronds veiliger maken.

Bronvermelding: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

Trefwoorden: zacht gesteente tunnel, ankerboutverankering, kolenmijn tunnel, geherboorde boutgaten, grondondersteuning